預(yù)處理視角下的核桃破殼加工技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

張恩銘，鄭 霞，田學(xué)艷，胡 斌，李樹峰，李紅斌，齊妍杰

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3.新疆科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)股份有限公司，新疆 石河子 832000)

0 引言

核桃營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，富含氨基酸和脂肪，是世界重要堅(jiān)果樹種之一，位列四大干果之首。核桃性味甘溫，是滋補(bǔ)強(qiáng)壯品，有補(bǔ)氣養(yǎng)血、潤(rùn)肺健腦的功效，且根、葉、果仁、果皮、樹皮及脂肪油均可藥用[1]。核桃在我國(guó)栽培有2000年以上的歷史，也是近年來(lái)我國(guó)林果業(yè)中發(fā)展速度最快的樹種。我國(guó)核桃栽培面積最大，總產(chǎn)量?jī)H次于美國(guó)。據(jù)2000-2015年發(fā)布的《中國(guó)林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：2014年，我國(guó)核桃總面積達(dá)554.78萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量為271.37萬(wàn)t，占全國(guó)經(jīng)濟(jì)林總面積的14.95%[2]。

目前，核桃除了作為整果銷售外，大部分需要進(jìn)行破殼處理，為實(shí)施工業(yè)取仁和多樣化休閑食用核桃的新產(chǎn)品開發(fā)做準(zhǔn)備。我國(guó)部分地區(qū)的果農(nóng)還采用傳統(tǒng)的手工破殼和半機(jī)械化的破殼方法，缺乏核桃初加工的衛(wèi)生條件和品質(zhì)意識(shí)，致使核桃仁在核桃破殼加工過(guò)程中被污染，嚴(yán)重影響核桃仁的質(zhì)量，難以達(dá)到進(jìn)出口核桃的檢疫標(biāo)準(zhǔn)要求。除了化學(xué)腐蝕法、真空爆破法、超聲波破殼法等核桃破殼方法外，目前我國(guó)現(xiàn)有的破殼設(shè)備大多是單一的、傳統(tǒng)的機(jī)械式破殼，主要有定間隙擠壓破殼法、定向擊打法、錐籃式破殼和氣爆式破殼等擠壓式與非擠壓式方法。這些方法用于核桃破殼技術(shù)裝備研究，存在實(shí)際操作中不好控制、仁易受到腐蝕、生產(chǎn)設(shè)備昂貴、破殼效果不夠理想、噪音大、適應(yīng)性差、能耗大和效率低等問(wèn)題，在一定程度上制約了我國(guó)的核桃破殼設(shè)備推廣和發(fā)展，影響了核桃加工水平。為此，本文以機(jī)械破殼前預(yù)處理的視角，闡述和分析了國(guó)內(nèi)外破殼技術(shù)及影響因素，以期以先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理，再結(jié)合傳統(tǒng)破殼技術(shù)，為研制適應(yīng)核桃破殼加工要求的新型核桃破殼機(jī)械奠定基礎(chǔ)。

1 核桃破殼國(guó)內(nèi)外研究技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外的核桃加工業(yè)起步較早。在澳大利亞和美國(guó)等國(guó)家，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合程度較高，核桃品種優(yōu)良，規(guī)格統(tǒng)一，有利于實(shí)施機(jī)械化破殼，已實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。其中，核桃破殼和殼仁分離等工序已完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，實(shí)行流水線作業(yè)，目前已實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。而我國(guó)自20世紀(jì)90年代開始改變了人工破殼方式，研究核桃及其他堅(jiān)果的機(jī)械破殼技術(shù)。因此，核桃破殼技術(shù)還處于研究的初級(jí)階段。

1.1 傳統(tǒng)未預(yù)處理的核桃破殼技術(shù)

1.1.1 國(guó)外情況

1.1.1.1 擠壓式的破殼技術(shù)裝備

1)夾盤式擠壓核桃破殼設(shè)備：美國(guó)Keneth R. Evans 早在1980年研制了一種夾角工作盤擠壓核桃破殼設(shè)備。該機(jī)主要由進(jìn)料口、輸送核桃的裝置、擠壓破殼裝置及出料口等組成。當(dāng)該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)鏈條帶動(dòng)其上方分布著一定間距的爪鉤，把核桃從儲(chǔ)料裝置中逐一地抓起，送到一對(duì)保持固定夾角的工作盤中，核桃外殼隨工作盤旋轉(zhuǎn)被壓碎[3]。

2)柱塞核桃鉗：1981年，美國(guó)學(xué)者發(fā)明了一種柱塞核桃鉗，由把手、可調(diào)柱塞、夾頭、底座和固定套等組成。工作時(shí)，可調(diào)柱塞在操縱把手的推動(dòng)下可在固定套內(nèi)任意滑動(dòng)，當(dāng)調(diào)柱塞伸出時(shí)，夾頭推動(dòng)核桃運(yùn)動(dòng)，核桃在剛性砧底座上被夾緊并破殼[4]。

3)滾子擠壓破殼設(shè)備：美國(guó)學(xué)者在1997年發(fā)明了一種單個(gè)滾子的擠壓機(jī)構(gòu)破殼設(shè)備，一個(gè)旋轉(zhuǎn)滾子水平方向放置，滾子側(cè)面是一個(gè)帶有弧度的破殼板，當(dāng)核桃落入滾子與破殼板之間時(shí)，會(huì)被揉搓，從而達(dá)到破殼的目的[5]。

4)壓間隙核桃破殼設(shè)備：2000年，國(guó)學(xué)者Larry H. Hemry設(shè)計(jì)了可調(diào)擠壓間隙核桃破殼機(jī)，由機(jī)架、進(jìn)料口、可調(diào)節(jié)的定位板、破殼裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及動(dòng)力裝置等所組成。這種核桃破殼設(shè)備可通過(guò)調(diào)節(jié)其定位板和破殼裝置之間的間隙來(lái)適應(yīng)各類不同堅(jiān)果的破殼[6]。

1.1.1.2 非擠壓式的破殼技術(shù)裝備

1)擊打式核桃破殼設(shè)備： 1994年，美國(guó)學(xué)者研制了一種擊打式核桃破殼機(jī)，主要由機(jī)架、進(jìn)料口、物料輸送裝置、擊打裝置及傳動(dòng)裝置等組成。當(dāng)該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，該輸送裝置將料箱中的核桃定量運(yùn)送到擊打裝置中，由凸輪控制的擊打頭將核桃殼打破，致使核桃殼仁分離[7]。

2)滾筒擊打式核桃破殼設(shè)備： 2003年，美國(guó)學(xué)者Clarence Lloyd Warmack 等人研制了滾筒式擊打式核桃破殼機(jī)，主要由機(jī)架、進(jìn)料口、滾筒、箱體、旋轉(zhuǎn)破殼裝置及出料口等組成。工作時(shí)，在滾筒內(nèi)的擊打板通過(guò)旋轉(zhuǎn)而有效地?fù)舸蚝颂?，使其破殼并殼仁分離[8]。

由于國(guó)外的核桃破殼設(shè)備是為其優(yōu)良品種的核桃而設(shè)計(jì)的，因此還無(wú)法完全滿足我國(guó)核桃品種在破殼加工中對(duì)破殼率和露仁率的要求，且制造和加工環(huán)節(jié)成本較高，無(wú)法被國(guó)內(nèi)企業(yè)接受。

1.1.2 國(guó)內(nèi)情況

1.1.2.1 擠壓式破殼技術(shù)裝備

1)齒盤擠壓破殼設(shè)備：1995年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)綿核桃做了物理實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了綿核桃的物理機(jī)械特性并對(duì)其內(nèi)力進(jìn)行了分析，研制了一種綿核桃剝殼取仁設(shè)備，主要由機(jī)架、進(jìn)料口、破殼裝置、調(diào)速設(shè)備及出料口等組成。當(dāng)核桃喂入到破殼裝置中，核桃會(huì)隨著齒盤不停地旋轉(zhuǎn)，被慢慢地向里擠入，核桃表面會(huì)被一定間距的齒尖不斷擠壓，使得核桃達(dá)到破殼的目的，并使部分殼和仁分離出來(lái)。該設(shè)備可節(jié)省大量人力資源，但其適應(yīng)性及核桃整仁率尚有待提高[9]。

2)弧板擠壓式破殼設(shè)備：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一種6HP-150型核桃破殼機(jī)，主要由料斗、錐形分級(jí)滾筒、導(dǎo)向裝置、破殼裝置、傳動(dòng)裝置和動(dòng)力裝置等組成。工作時(shí)，通過(guò)錐式滾筒柵式分級(jí)，由螺旋輸送器均勻喂料，核桃進(jìn)入擠壓滾筒后，經(jīng)過(guò)破殼弧板擠壓，實(shí)現(xiàn)破殼。該機(jī)可以依靠物料自身重力自上而下形成一個(gè)系統(tǒng)作業(yè)流水線。由于采取分級(jí)處理，大大提高了核桃破殼取仁的質(zhì)量[10]。

3)平板擠壓破殼設(shè)備：該設(shè)備由1對(duì)破殼板組成，兩破殼板之間上寬下窄，成一定夾角。殼體通過(guò)鉸鏈與動(dòng)破殼板一端相連，另一端由偏心軸帶動(dòng)可做往復(fù)曲線運(yùn)動(dòng)；定破殼板是可以調(diào)動(dòng)的壓直板，機(jī)體與其上方一端相鉸接，調(diào)距手柄與其下方一端與相連接，兩板之間的間隙和角度的調(diào)整，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)手柄來(lái)推動(dòng)定破殼板運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其需要將擠壓間隙的最小寬度調(diào)整到小于果殼的直徑，并且接近于核桃果仁的最大外徑。兩破殼板表面都是粗糙的條紋，可增加與核桃接觸的粗糙度。當(dāng)核桃落入破殼板狹縫中，會(huì)隨動(dòng)破殼板運(yùn)動(dòng)，當(dāng)經(jīng)最窄處破殼后，最后由出料口甩出。該設(shè)備可將大小不同的核桃一起破殼[11]。

4)錐籃式核桃破殼設(shè)備：2011-2013年，李忠新和崔寬波等研究人員研制了錐籃式核桃破殼機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可使破殼體上下移動(dòng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)兩破殼體之間的間隙，進(jìn)而破殼加工尺寸大小不同的核桃，以進(jìn)一步提高核桃破殼率和果仁完整率。這種破殼設(shè)備可以適應(yīng)不同核桃品種和大小的核桃破殼，1/2仁得率達(dá)到72%[12]。

5)多輥擠壓式核桃破殼設(shè)備：新疆學(xué)者為了進(jìn)一步改進(jìn)國(guó)內(nèi)擠壓式核桃破殼機(jī)，設(shè)計(jì)了一種多輥擠壓式核桃破殼機(jī)。該機(jī)選用間斷性擠壓式破殼方法，設(shè)計(jì)的破殼輥?zhàn)优c多個(gè)輔助破殼輥?zhàn)又g的間隙由大到小，形成了間斷性的多工位破殼工作區(qū)，實(shí)現(xiàn)核桃破殼取仁。試驗(yàn)結(jié)果顯示：該型多輥擠壓式核桃破殼結(jié)構(gòu)具有較好的破殼取仁效果[13]。

6)搓壓式核桃破殼設(shè)備：山西省設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了搓壓式核桃破殼機(jī)，該設(shè)備先用分離篩進(jìn)行核桃的大小分級(jí)和震動(dòng)分離，再由輸送帶或漏斗供給到兩個(gè)同向而不同速度運(yùn)動(dòng)的鐵板皮帶上；兩鐵板皮帶可調(diào)整合適的破殼距離，采用同向不同速有限度的搓壓破殼原理，防止內(nèi)部的核桃仁受到損傷，破殼效果好，核桃仁完整[14]。

7)滾壓式核桃破殼設(shè)備：該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，核桃從進(jìn)料斗喂入到錐形筒上部間隙內(nèi)，并沿著螺旋槽向下運(yùn)動(dòng)；隨著間隙變小，增加了滾壓變形，與核桃接觸處的粗糙度也在增加；由于增大了核桃與螺旋槽的接觸面積，致使核桃受力更加均勻，破殼效果更加理想，從而保證了較高的高路仁率[15]。

8)螺紋螺旋式的核桃破殼設(shè)備：塔里木大學(xué)設(shè)計(jì)了一種螺紋螺旋式核桃破殼機(jī)，該機(jī)料斗底部與一水平設(shè)置在機(jī)架上的工作筒相連，工作筒內(nèi)水平設(shè)置著絞龍,絞龍的自由端設(shè)置著由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的從動(dòng)皮帶輪，工作筒的一端連接著出料管，靠近出料管的工作筒筒壁呈錐筒形構(gòu)成核桃破殼工作段；其周壁上均布間隔設(shè)置有圓孔以定位核桃，圓孔的孔徑小于核桃的外徑。核桃從料斗進(jìn)入工作筒后，由絞龍推動(dòng)，由于圓孔進(jìn)行定位并同時(shí)與核桃破殼工作段產(chǎn)生連續(xù)的擠壓，從機(jī)架上的出料管出來(lái)，達(dá)到破殼的目的。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，操作方便，破殼效率高，破殼效果較好[16]。

9)柔性帶差速擠壓核桃破殼取仁設(shè)備：青島理工大學(xué)和沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制了柔性帶差速擠壓核桃破殼取仁設(shè)備。該設(shè)備由1對(duì)同向不等速的、傳動(dòng)的PVC工作帶組成，且兩工作帶富有柔性。在破殼區(qū)內(nèi)，核桃受到剪切擠壓力；由于工作帶間呈楔形夾角，使得核桃受到的力不斷變大，當(dāng)剪切擠壓力大于核桃表面裂紋擴(kuò)大的臨界力時(shí)，核桃殼破碎；隨著核桃的滾動(dòng)，其表面裂紋會(huì)不斷均勻擴(kuò)大，使核桃破殼更加充分[17]。

1.1.2.2 非擠壓式技術(shù)裝備。

1)蝸桿與蝸輪核桃破殼設(shè)備：山西孝義的馮光旭等人設(shè)計(jì)的核桃破殼設(shè)備由底座及破殼裝置等組成，破殼裝置由活動(dòng)塊和固定塊所組成，固定塊在底座一端，活動(dòng)塊在蝸桿一端，彈簧套在蝸桿的另一端，蝸桿和蝸輪相互配合，在底座上固定著蝸輪軸下端，手柄安裝在蝸輪軸上端。該設(shè)備有較好的省力效果，易破殼，施力大小易掌握；但該機(jī)器不能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)，還需要大量的人力資源[18]。

2)擊打式核桃破殼設(shè)備：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的擊打式核桃破殼設(shè)備，包括進(jìn)料口、進(jìn)料撥輪、觸點(diǎn)開關(guān)、輸送裝置、機(jī)架、時(shí)間繼電器、電磁閥、氣缸及供氣組件。當(dāng)該設(shè)備運(yùn)行時(shí)，核桃在導(dǎo)向輥?zhàn)油苿?dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。其中，導(dǎo)向輥?zhàn)泳鶆蚍植荚谖锪陷斔蛨A盤外圓周上，并由摩擦盤驅(qū)動(dòng)，活塞桿通過(guò)時(shí)間繼電器電磁閥的控制對(duì)核桃實(shí)施擊打。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，破殼效率高，可以實(shí)現(xiàn)核桃機(jī)械化的破殼取仁[19]。

3)離心式核桃破殼機(jī)：江蘇南通的郭俊設(shè)計(jì)了一種離心式核桃破殼機(jī)，其工作時(shí)核桃由入料口進(jìn)入破殼區(qū),被高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀組甩出，并撞擊在導(dǎo)向板上,經(jīng)過(guò)碰撞實(shí)現(xiàn)破殼后沿著導(dǎo)料板經(jīng)過(guò)吸風(fēng)道到達(dá)出料口卸料。該機(jī)生產(chǎn)率高,對(duì)核桃仁表面磨損少，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,整體成本低[20]。

4)偏心擊打式核桃破殼設(shè)備：陜西科技大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)的偏心擊打式核桃破殼設(shè)備包括進(jìn)料口、輸送裝置、動(dòng)力裝置及擊打裝置等部件。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，核桃由進(jìn)料口進(jìn)入破殼設(shè)備后，在滾子滾動(dòng)下將核桃?guī)霛L輪。在擠壓裝置里面有擠壓桿，被滾子上面有弧形的凸起推動(dòng)著，當(dāng)滾子上面的弧形凸起不推動(dòng)擠壓桿時(shí)，擠壓桿將在彈簧的作用下對(duì)核桃進(jìn)行擊打破殼。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可根據(jù)核桃的物理特性和力學(xué)特性調(diào)節(jié)擠壓桿的擊打力和擊打距離，以保證核桃破殼時(shí)有較高的整仁率和破殼率[21]。

5)激光照射核桃破殼技術(shù)：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員用激光照射核桃表面，使核桃體的溫度發(fā)生變化，核桃的每一部分都因溫度的變化膨脹或者收縮而產(chǎn)生應(yīng)力隨之發(fā)生變化，致使核桃發(fā)生破裂[22]。

6)微波核桃破殼技術(shù)：洛陽(yáng)理工學(xué)院和山西農(nóng)業(yè)大學(xué)研究通過(guò)微波輻照作用于核桃仁，在交變磁場(chǎng)作用下核桃仁內(nèi)部水分子作高頻轉(zhuǎn)變，在短時(shí)間內(nèi)核桃內(nèi)部產(chǎn)生高熱，形成高壓水汽，直至高壓水汽作用于核桃殼的壓力大于其拉伸極限時(shí)，核桃殼破裂[23]。

7)氣爆式核桃破殼技術(shù)：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員用核桃本身氣密性，在核桃殼體上鉆1個(gè)小孔，從孔向核桃內(nèi)部加載高壓氣體載荷，在一瞬間核桃內(nèi)部 、外部形成較大的壓差；當(dāng)氣壓差產(chǎn)生的壓力大于殼體許用應(yīng)力時(shí)，殼體爆開破裂，利用氣爆原理完成核桃脫殼。當(dāng)在0.55MP載荷時(shí)，核桃結(jié)蒂位置加載是最優(yōu)解，核桃殼體爆開位置較好，多處破裂有利于取仁工作，可以得到較高的破殼率和較低的碎仁率[24]。

國(guó)內(nèi)的破殼技術(shù)在破殼效率方面有較大突破，但破殼質(zhì)量及與后續(xù)工藝的銜接性方面沒有解決，在加工工藝優(yōu)化和提升高路仁率方面仍有待研究。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外的機(jī)械式破殼技術(shù)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀表明：不論是擠壓式破殼，還是非擠壓式破殼技術(shù)，其在破殼率、適應(yīng)性和生產(chǎn)效率等方面均有較大突破。但是，由于未對(duì)核桃進(jìn)行預(yù)處理，其單一機(jī)械的破殼質(zhì)量和能耗等方面尚有進(jìn)一步可改進(jìn)的空間。

1.2 結(jié)合預(yù)處理的核桃破殼技術(shù)

1)沸水預(yù)處理。陜西科技大學(xué)研究人員2014年研究將核桃放在沸水中 10min，然后撈出放入自來(lái)水中冷卻，再進(jìn)行烘干，直到含水量達(dá)到未處理前的水平。通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的壓力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，破殼力明顯變??；同年，研究人員對(duì)影響核桃破殼力大小因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，對(duì)核桃破殼前進(jìn)行預(yù)處理可以減小破殼力[25]。

2)油浴和微波預(yù)處理。常州大學(xué)利用電鏡(SEM)和紅外光譜(FT-IR)分析油浴和微波預(yù)處理后的山核桃殼發(fā)現(xiàn)，山核桃殼緊密的結(jié)構(gòu)遭到破壞，變成更加易于酶解的松散、多孔結(jié)構(gòu)[26]。

3)劃口預(yù)處理。陜西科技大學(xué)鄭甲紅等人設(shè)計(jì)了鋸口擠壓式核桃破殼機(jī)，工作時(shí)先對(duì)核桃進(jìn)行鋸口，然后對(duì)核桃進(jìn)行擠壓兩次破殼。由于核桃殼的主要成分是木素，物理結(jié)構(gòu)適合進(jìn)行鋸口，從而局部打破了核桃殼表面的應(yīng)力集中；鋸口之后再實(shí)施“四點(diǎn)加壓”，可以使核桃更易破殼[27]。

有關(guān)研究表明：預(yù)處理可以減小核桃破殼時(shí)的應(yīng)力，對(duì)核桃仁的破壞較小。因此，采取不同的預(yù)處理方法對(duì)核桃破殼可在一定程度上降低核桃的碎仁率，提高其高路仁率和整仁率。

2 影響核桃破殼的研究現(xiàn)狀

2.1 核桃的物理性質(zhì)對(duì)破殼的影響研究現(xiàn)狀

2.1.1 核桃的品種

由于核桃品種雜多，尺寸差異大，形狀多樣，殼仁間隙也大有不同，具體表現(xiàn)為：殼仁之間間隙小時(shí)，殼完全破裂所需形變量大于殼仁間隙，則會(huì)在破殼的同時(shí)對(duì)仁造成極大的損傷；殼與仁之間的間隙足夠大時(shí)，殼仁之間的結(jié)合會(huì)比較松懈，會(huì)使核桃破殼的同時(shí)保證仁的完整。因此，應(yīng)盡量選擇殼薄與殼仁之間間隙足夠大的核桃，可使核桃破殼的同時(shí)盡可能地保證仁的完整，提高核桃的破殼率和整仁率[28]。

2.1.2 核桃均勻度和飽滿程度

核桃均勻度和飽滿程度對(duì)破殼效果的影響也較大。當(dāng)核桃大小不均勻時(shí)，擠壓破殼設(shè)備的最佳破殼間隙與角度很難確定，破殼率和碎仁率無(wú)法達(dá)到最佳的平衡，破殼效果不理想，需要采取循環(huán)破殼及二次破殼才能達(dá)到理想的破殼效果；當(dāng)飽滿程度相差較大時(shí)，則需要分級(jí)處理再破殼，才能達(dá)到理想的效果[28]。

2.1.3 核桃的含水量

核桃水分含量對(duì)破殼效果的影響也較大，直接影響著核桃殼的強(qiáng)度、彈性、塑性。核桃含水量越低，其外殼越脆，易破殼，但在破殼后整仁率較低，混雜在核桃仁里的核桃殼碎粒會(huì)較多；核桃含水量越高，其外殼的韌性則越好，破殼率低，但在破殼后的整仁率較高，混雜在核桃仁里的核桃殼碎粒會(huì)較少。在核桃破殼時(shí)，應(yīng)保持最適當(dāng)?shù)乃趾?，一方面使其具有更大的脆性從而有較高的破殼率，另一方面又不致于使核桃仁在機(jī)械外力的作用下整仁率過(guò)低[28]。擊打破殼含水率在14.5%左右時(shí)，核桃高路仁效果最好[29]；隨著含水率的增大，破殼效果先增后降，當(dāng)含水率為23%時(shí)，破殼效果最好[30]。當(dāng)含水率增加到30%時(shí)，破殼率由100%下降到80%；當(dāng)含水率不超過(guò)20%時(shí)，隨著含水率的增加，整仁率增加；當(dāng)含水率高于20%，整仁率不斷降低。這是因?yàn)榈秃蕰r(shí)，核桃殼體和內(nèi)部核桃仁較脆，殼體破碎率高，核桃仁也容易被擠壓破碎。隨著含水率的增大，果仁的韌性增大，破殼過(guò)程中，不易被擠壓破碎，所以整仁率增大。然而，含水率增加，殼體的韌性也不斷增加，其形變能力增強(qiáng)，當(dāng)擠壓行程小于核桃殼體的形變量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)破殼不完全的現(xiàn)象[31]。

2.1.4 核桃尺寸

核桃的幾何尺寸對(duì)破殼效果的影響也較大。核桃的尺寸越大，核桃在破殼時(shí)所需要的破殼力也越大。核桃在破殼前進(jìn)行分級(jí)處理，可達(dá)到較理想的破殼效果，可以保證較高的破殼率和整仁率[32]。

2.2 破殼機(jī)結(jié)構(gòu)因素對(duì)破殼的影響研究現(xiàn)狀

2.2.1 轉(zhuǎn)速

破殼體轉(zhuǎn)速增加，剪切作用也會(huì)隨著加大，破殼率隨之增加。試驗(yàn)證明，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 400r/min時(shí)比較合適。當(dāng)兩破殼體轉(zhuǎn)速差過(guò)大時(shí)，剪切撕剝效果也會(huì)更加明顯，對(duì)核桃仁的損傷也會(huì)比較大，對(duì)于較難破殼的核桃，可采用較大的轉(zhuǎn)速差[28]。新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所的何義川等人做了對(duì)輥擠壓式核桃破殼裝置的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：擠壓輥的轉(zhuǎn)速對(duì)一次性破殼率影響非常顯著，對(duì)核桃破殼高路仁率指標(biāo)影響最大[33]。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的申海霞、張淑娟等人自行設(shè)計(jì)了一種核桃分級(jí)破殼機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明：分級(jí)絞龍轉(zhuǎn)速和破殼動(dòng)刀轉(zhuǎn)速對(duì)破殼效果有影響[34]。

2.2.2 破殼體的間隙

受破殼體的間隙大小的影響，不同規(guī)格的核桃在破殼工作區(qū)內(nèi)所受的壓縮形變量也不相同，因此需要在破殼前先將核桃按照大小分級(jí)，通過(guò)調(diào)整破殼間隙達(dá)到較好的破殼質(zhì)量[28]。新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所的何義川等人做了對(duì)輥擠壓式核桃破殼裝置的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：擠壓間隙對(duì)核桃破殼結(jié)果一次性破殼率影響不顯著，擠壓間隙對(duì)核桃破殼結(jié)果高路仁率影響僅次于擠壓輥的轉(zhuǎn)速[33]。

2.2.3 殼體的材料及表面形狀

當(dāng)破殼板材料使用表面硬度較高且表面有粗糙條紋的鋼板時(shí)，可增大摩擦力，核桃破殼更加充分；但如果破殼板材料的彈性較差、硬度高、變形小，則核桃被擠壓過(guò)度，碎仁率就增大；當(dāng)破殼板材料選用工程塑料時(shí)，由于其彈性好、硬度低、變形大，因此核桃的破殼時(shí)間延長(zhǎng)，降低了破殼率，但碎仁率較小。試驗(yàn)結(jié)果證明：表面采用 HRC 硬度 40～50 的菱形花紋鋼板較為合適[28]。

2.2.4 裝置間距變化

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的申海霞、張淑娟等人自行設(shè)計(jì)了一種核桃分級(jí)破殼機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明：影響破殼效果的主要因素是分級(jí)裝置與破殼裝置的上下間距差[34]。

2.3 加載參數(shù)對(duì)破殼的影響

2.3.1 加載速率

在每一種速率下沿相同方向?qū)颂疫M(jìn)行的擠壓靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)載荷的加載速率逐漸增加時(shí)，核桃的破殼力基本沒有大的變化。試驗(yàn)表明：在5～30mm/min范圍內(nèi)，載荷的加載速率對(duì)破殼力的影響不大[32]。

2.3.2 加載方向

沿垂直于核桃縫合面短軸方向擠壓核桃時(shí)所需的破殼力最小，沿核桃縫合面短軸方向擠壓時(shí)所需的破殼力最大[32]。新疆學(xué)者何義川、史建新等的研究結(jié)果表明：當(dāng)在垂直于核桃縫合面短軸方向加載時(shí)，核桃的應(yīng)力、應(yīng)變主要集中在垂直于核桃縫合面短軸方向曲面頂部，導(dǎo)致核桃殼局部破裂，不利于破殼；而當(dāng)加載力作用在核桃縫合面長(zhǎng)軸和短軸方向時(shí)，其上應(yīng)力和應(yīng)變分布沿著一定的方向分布較廣，此時(shí)有利于核桃有效破殼[35]。

2.4 劃口預(yù)處理對(duì)核桃破殼的研究現(xiàn)狀

2.4.1 機(jī)械劃口預(yù)處理

河北唐山馬殿秋設(shè)計(jì)了一種機(jī)械干堅(jiān)果開口機(jī)，通過(guò)電鋸切割核桃，可用于核桃開口預(yù)處理。其開口率高，無(wú)破損，開口張裂程度一致，食用取仁時(shí)不需借助工具開口，只需用手捏開。開口預(yù)處理后核桃的開殼力大大減小，有利于核桃破殼[36]。陜西科技大學(xué)鄭甲紅等人設(shè)計(jì)了鋸口擠壓式核桃破殼機(jī)，工作時(shí)先對(duì)核桃進(jìn)行鋸口，然后對(duì)核桃進(jìn)行擠壓兩次破殼。由于核桃殼的主要成分是木素，物理結(jié)構(gòu)適合進(jìn)行鋸口，從而局部打破了核桃殼表面的應(yīng)力集中，鋸口之后再實(shí)施“四點(diǎn)加壓”，因此破殼充分，且高路仁率高[27]。

2.4.2 激光切割劃口預(yù)處理

浙江省的研究人員設(shè)計(jì)了一種激光切割式山核桃破殼機(jī)，包括機(jī)架和槍管,槍管包括T型連通的豎直落料管和水平擠壓管。工作時(shí)，核桃由落料管進(jìn)入到水平擠壓管內(nèi)，其中設(shè)有可往復(fù)運(yùn)動(dòng)的槍桿,槍桿上設(shè)有破殼刀頭,破殼刀頭的前方設(shè)有擠壓桿,水平擠壓管的底部設(shè)有缺口；激光發(fā)生器發(fā)出的激光光刀從缺口中穿過(guò),激光光刀與水平擠壓管內(nèi)壁最低點(diǎn)之間豎直高度為0.2～1.5mm。在重力的作用下,山核桃會(huì)貼緊水平擠壓管的內(nèi)壁,槍桿和破殼刀頭推動(dòng)山核桃往前運(yùn)動(dòng),當(dāng)山核桃經(jīng)過(guò)缺口時(shí)，下部的殼會(huì)被激光光刀所切開一個(gè)口子。這樣，在破殼刀頭將山核桃擠壓到擠壓桿上時(shí)候,由于下方已經(jīng)破開一個(gè)口子,可以更容易地將山核桃破殼，提高了破殼效率，有效地避免了重復(fù)破殼[37]。

3 結(jié)論

1)核桃的物理性質(zhì)對(duì)破殼效果的影響，主要表現(xiàn)在：核桃的品種、飽滿程度和均勻度、濕度、尺寸大小對(duì)核桃破殼效果影響較大；破殼機(jī)轉(zhuǎn)速、破殼間隙、殼體的材料及表面形狀等結(jié)構(gòu)因素對(duì)破殼效果的影響較大；加載力方向、加載位置等對(duì)破殼效果的影響較大，加載速率對(duì)破殼效果幾乎沒有影響。

2)經(jīng)過(guò)劃口預(yù)處理的核桃，對(duì)后續(xù)實(shí)施機(jī)械破(剝)殼，增加了加工的有效性，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。目前，關(guān)于激光作為預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用于核桃破殼加工中報(bào)道較少。

3)有關(guān)研究表明：研究預(yù)處理技術(shù)可為降低核桃的碎仁率和減少能耗、改良單一傳統(tǒng)機(jī)械破殼模式、提高核桃破殼加工機(jī)械的自動(dòng)化和智能化水平、促進(jìn)核桃產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供重要路徑。